Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article décrit les caractéristiques électriques des principaux composants à semi-conducteur de puissance en lien avec les grandeurs électriques de commande. Il montre quels peuvent être les effets des caractéristiques du circuit de commande rapprochée sur les performances en conduction et en commutation des composants à semi-conducteur de puissance. Trois grandes familles de composants sont concernées: les thyristors et triacs, les transistors à jonction bipolaire (BJT), les thyristors ouvrables par la gâchette (GTO) et enfin les composants à grille et entrée capacitive (MOSFET, IGBT et HEMT). L’article présente également les spécificités vis-à-vis de leur commande rapprochée des composants grand gap, disponibles dans le commerce, à savoir les BJT et MOSFET SiC ainsi que les HEMT GaN.
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This article describes the electrical characteristics of the main power semiconductor devices, in relation to their drivers. The possible effects of the driving circuits on power semiconductor devices are highlighted, covering the drivers’ impacts on conduction and switching transient performances. Three types of power devices are described: thyristors and triacs, bipolar junction transistors (BJT) and gate turn-off thyristors (GTO), and gate-controlled field effect transistors (MOSFET, IGBT and HEMT). The article also presents the specific drive features of currently available wide bandgap power devices, such as SiC BJT, SiC MOSFET and GaN High Electron Mobility Transistors.
Auteur(s)
-
Stéphane LEFEBVRE : Agrégé de Génie électrique - Docteur de l’École normale supérieure de Cachan - Maître de conférences au Conservatoire national des arts et métiers
-
Bernard MULTON : Agrégé de Génie électrique - Docteur de l’Université de Paris 6 - Professeur des Universités à l’École normale supérieure de Cachan – antenne de Bretagne
INTRODUCTION
Dans cet article, nous étudions les composants à semi-conducteurs de puissance, déjà présentés en [D 3 230] :
-
les thyristors et les triacs, qui fonctionnent aujourd’hui quasi-exclusivement dans des convertisseurs où les blocages sont assistés par le réseau (redresseurs, gradateurs) ou par la charge (systèmes résonants) ;
-
les transistors bipolaires et les thyristors GTO dont les caractéristiques sont très proches ;
-
les transistors à grille isolée (MOSFET et IGTB) auxquels l’entrée capacitive confère un comportement tout à fait spécifique.
Pour chacune de ces catégories de CSCP, les circuits de commande seront détaillés dans les articles suivants [D 3 232] [D 3 233].
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
thyristor | gate transistors | GTO | MOSFET SiC | HEMT GaN
VERSIONS
- Version courante de avr. 2018 par Stéphane LEFEBVRE, Bernard MULTON, Nicolas ROUGER
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Commande des transistors bipolaires et thyristors blocables (GTO)1. Commande des thyristors et triacs
Les thyristors, composants à commande uniquement à l’amorçage, sont les plus anciens composants à semi-conducteurs de puissance commandés (fin des années 1950). Ils sont normalement unidirectionnels en courant et bidirectionnels en tension mais se déclinent dans différentes variantes technologiques, notamment les thyristors asymétriques qui ne supportent que de très faibles tensions inverses mais sont plus rapides au blocage. Ils sont parfois intégrés à une diode antiparallèle (thyristors à conduction inverse). Il existe également des thyristors dits bidirectionnels (sur la même pastille, deux thyristors sont intégrés en montage tête-bêche). Le blocage des thyristors n’est pas commandable, il s’effectue à l’annulation du courant et nécessite un temps minimal d’application de tension inverse noté tq. Les thyristors sont essentiellement utilisés en « commande de retard à l’amorçage » ou commande de phase (tq jusqu’à quelques 100 µs) dans les redresseurs et onduleurs assistés par la source alternative, plus particulièrement en forte et très forte puissances (moteurs synchrones autopilotés de quelques MW à quelques 100 MW, liaisons de transport d’énergie à courant continu : quelques 100 MW à quelques 1 000 MW, compensateurs statiques de puissance réactive, etc.). Les thyristors rapides (faible tq et faible charge recouvrée au blocage) sont encore utilisés aujourd’hui pour certains dispositifs à résonance comme dans le chauffage par induction moyenne fréquence de forte puissance (jusqu’au début des années 1980, on construisait encore des hacheurs et des onduleurs à commutation forcée pour moteurs de forte puissance mettant en œuvre ce type de thyristors). Les gammes de courant s’étendent de 10 A environ à plus de 6 000 A pour une seule « pastille » ; quant aux tensions, elles vont de 400 V environ à plus de 10 kV. À ces niveaux, pour des raisons d’isolement, la commande est souvent optique (thyristors à amorçage optique ou Light Triggered Thyristors LTT). La mise en série ou/et en parallèle est couramment pratiquée et permet d’atteindre des puissances très élevées que l’on peut considérer illimitées. Les principales contraintes concernant la commande sont relatives à l’isolement galvanique nécessaire dans presque toutes les applications, compte...
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Commande des thyristors et triacs
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LETURCQ (P.) - Composants semi-conducteur de puissance, Partie 2 - . Techniques de l’Ingénieur, D 3 107, 05-2001.
-
(2) - ARNOULD (J.), LAFORE (D.), LI (J.M.) - Bipolar transistors in high frequency areas switch-on drive techniques for series resonant converters - . (Transistors bipolaires dans le domaine des hautes fréquences, techniques de commande pour convertisseurs à résonance série). EPE Conf. 1989, Aachen, pp. 1489-1494.
-
(3) - LI (J.M.), LAFORE (D.), ARNOULD (J.) - Quasi-saturation developement for high frequency power transistor switches - . EPE Conf. 1991, Florence, pp. 1146-1151.
-
(4) - ARNOULD (J.), MERLE (P.) - Dispositifs de l’électronique de puissance - . Traité des Nouvelles Technologies, Hermès 1992.
-
(5) - MOTOROLA - Thyristors Handbook - . Chapter 3 : Thyristor drivers and triggers (Manuel d’utilisation des thyristors. Chapitre 3 : circuits de commande et de déclenchement) – 1985.
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